memory - 为什么 CPU 访问对齐的内存

Question

互联网的好人！

在过去的几天里，我一直在阅读有关 CPU 如何访问内存以及如果访问的对象分布在 CPU 访问的不同块上，它会如何变慢。

用一个非常笼统和抽象的话来说，如果我有一个从 0x0 到 0xF 的地址空间，其中一个字节的单元格，并且 CPU 以 4 字节的块读取内存（即，具有四字节的内存访问粒度），然后，如果我需要读取位于单元格 0x0 - 0x3 中的 4 字节大小的对象，CPU 将在一次操作中完成，而如果同一对象占用单元格 0x1 - 0x4，则 CPU 需要执行两次读取操作（读取内存首先在 0x0 - 0x3 中，然后在 0x4 - 0x7 中），移位字节并组合两个部分（或中断，如果它不能进行非对齐访问）。这再次发生，因为 CPU 可以读取 4 字节块的内存（在我们的抽象情况下）。我们还假设，CPU 在一个高速缓存行内进行这些读取，并且在读取之间不需要更改高速缓存的内容。

因此，在这种情况下，CPU 可以读取的每个块的开头都驻留在地址为 4 的倍数的内存单元中（对吗​​？）。好的，我对 CPU 读取块的原因没有任何疑问，但是why exactly the beginning of each chunk is aligned in such a way?如果参考上一段中的示例，why exactly CPU cannot read a chunk of 4 bytes starting from 0x1?

据我所知，CPU 非常清楚 0x1 的存在。那么所有的fuzz都是因为内存控制器无法访问从0x1开始的内存块吗？还是因为在某些架构上保留了处理器字中的几个 LSB？或者它们被保留的事实是对齐访问的结果，而不是它的原因（似乎已经是第二个问题，但我会留下它，因为在我写这个问题时我觉得它们是相关的）？

这里有很多关于这个主题的答案（比如这个和这个）和在线文章（比如这个和这个），但是在所有的资源中都有关于现象本身及其后果的很好的解释，但没有解释为什么 CPU无法读取从“介于”字节边界之间的内存块（或者我可能看不到它）。

标签： memorycpumemory-alignment

Answer 1

考虑一个简单的 CPU。它有 32 个 RAM 芯片。每个芯片提供一位内存。CPU 产生一个地址，将其传递给 32 个 RAM 芯片，然后 32 位返回。第一个 RAM 芯片保存字节 0、4、8、12、16 等的第 0 位。第二个 RAM 芯片保存字节 0、4、8、12、16 等的第 1 位。第九个 RAM 芯片保存字节 1 的第 0 位, 5, 9, 13, 17 等

所以你看到它们之间的 32 个 RAM 芯片可以产生字节 0 到 3 的位 0 到 7，或字节 4 到 7，或字节 8 到 11 等。它们无法产生字节 1 到 4。